基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的co氣體檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)及方法，涉及一種CO氣體檢測系統(tǒng)及方法。它是為了解決現(xiàn)有CO氣體光聲光譜檢測技術(shù)的檢測精度不高的問題。數(shù)據(jù)處理模塊將電流控制信號經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器發(fā)送到激光器控制器，同時(shí)將溫度控制參數(shù)發(fā)送到激光器控制器，激光器控制器驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射近紅外激光，經(jīng)過準(zhǔn)直、聚焦后入射到氣室內(nèi)；氣體吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為聲壓信號，安裝于氣室內(nèi)的石英音叉將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號；石英音叉的電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大后，輸入到鎖相放大器的測量通道輸入端，鎖相放大器結(jié)合函數(shù)發(fā)生器的參考信號進(jìn)行二次諧波檢測，進(jìn)而反演待測CO氣體濃度。本發(fā)明適用于CO氣體檢測。
【專利說明】基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CO氣體檢測系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]煤礦井下的CO氣體既是易燃易爆也是有毒性氣體，泄漏或聚集如果得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不僅易產(chǎn)生爆炸、引起火災(zāi)，而且污染環(huán)境甚至導(dǎo)致惡性中毒事件。CO氣體能夠有效反映運(yùn)行電力變壓器中固體絕緣材料的過熱及老化過程，通過對CO氣體的檢測，可以預(yù)報(bào)油紙絕緣的變壓器內(nèi)部潛伏性故障及發(fā)展，實(shí)現(xiàn)早期診斷?；馂?zāi)初期，CO氣體可以作為一種特征氣體來判斷是否有可燃物燃燒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警與監(jiān)測。
[0003]CO氣體檢測在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，特別是很多場合需要對痕量CO氣體進(jìn)行檢測，常用CO檢測方法可分為金屬氧化物法、電化學(xué)法和光譜吸收法等。觸媒燃燒型CO氣體檢測裝置輸出信號與氣體體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，適合用于較高氣體體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測，選擇性差，受風(fēng)速影響大。金屬氧化物半導(dǎo)體CO氣體檢測裝置對低體積分?jǐn)?shù)氣體信號輸出變化大，靈敏度高，使用壽命高，響應(yīng)速度塊，選擇性不佳。場效應(yīng)晶體管型CO氣體檢測裝置穩(wěn)定性好，耐高溫，耐強(qiáng)酸，靈敏度差，選擇性較差。相對來說，基于光譜學(xué)理論的CO氣體檢測的方法有如下優(yōu)點(diǎn):實(shí)現(xiàn)非接觸在線自動(dòng)監(jiān)測；儀器靈敏度高，只要選擇合適的光譜波段，就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)氣體ppm量級的精度；由于測量結(jié)果只反映一個(gè)區(qū)域的濃度平均水平，其結(jié)果具有代表性。
[0004]可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(Tunable D1de Laser Absorpt1nSpectroscopy, TDLAS)其本質(zhì)是一種吸收光譜技術(shù)，利用半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長調(diào)諧特性，通過改變溫度和電流來改變激光器輸出波長，掃描待測氣體吸收峰，通過分析氣體對光的吸收來確定氣體濃度。
[0005]光腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity ring down spectroscopy, CRDS)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種高靈敏度直接吸收光譜技術(shù)，目前光腔衰蕩光譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在爆炸物氣體檢測、大氣監(jiān)測等領(lǐng)域。
[0006]傅立葉變換紅外光譜技術(shù)(FourierTransform infrared spectroscopy, TFIR)是大氣環(huán)境監(jiān)測的主要手段。傅里葉紅外變換光譜技術(shù)可以根據(jù)分子在特定波長紅外線照射下的吸收情況來識別、量化物質(zhì)組成。通過采用開放光路設(shè)計(jì)，可以使光在待測氣體中的有效光程延長至1km。FTIR技術(shù)具有選擇性好、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)時(shí)間快、不消耗載氣等優(yōu)點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)方面，普遍認(rèn)為開放光路傅里葉紅外變換儀是用來測量農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中氨氣濃度的有效工具，在大氣質(zhì)量檢測方面日益得到廣泛應(yīng)用。
[0007]差分光學(xué)吸收光譜(DifferentialOptical Absorpt1n Spectroscopy, D0AS)作為一種大氣監(jiān)測技術(shù)在歐盟范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。在DOAS技術(shù)的發(fā)展過程中，國外眾多學(xué)者先后對DOAS系統(tǒng)配置、探測裝置、反演算法等方面進(jìn)行了改進(jìn)，完善了 DOAS技術(shù)。目前，DOAS系統(tǒng)研究生產(chǎn)主要集中在瑞典、德國、美國、法國和俄羅斯等發(fā)達(dá)國家。
[0008]直接吸收光譜法要求光程較長，對光程池設(shè)計(jì)、制造要求嚴(yán)格，電噪聲和光源功率的波動(dòng)影響監(jiān)測極限，環(huán)境帶來的背景噪聲難以消除。
[0009]光聲光譜技術(shù)(photoacousticspectroscopy,PAS)起源于 1880 年,Bell 首先報(bào)道了光聲效應(yīng)，隨后Viegerov首次完成了氣體光譜分析。但是由于檢測技術(shù)限制，直到20世紀(jì)初，隨著激光技術(shù)的發(fā)展和高靈敏度麥克風(fēng)的推廣使用，光聲光譜技術(shù)才得以高速發(fā)展。光聲光譜技術(shù)是將光源調(diào)制到目標(biāo)氣體吸收區(qū)域，光聲池內(nèi)氣體吸收調(diào)制光并被激發(fā)到高能態(tài)，在無輻射躍遷到低能態(tài)的過程中能量轉(zhuǎn)化為分子動(dòng)能，導(dǎo)致溫度產(chǎn)生周期性變化，逐步形成一個(gè)周期性壓力變化，進(jìn)一步產(chǎn)生聲音信號，且該聲音信號頻率與調(diào)制光頻率相同。聲音信號可以被高靈敏麥克風(fēng)捕捉，其強(qiáng)度與光聲池內(nèi)氣體濃度成正比。為了提高系統(tǒng)檢測靈敏度和抗干擾能力，通常采用波長調(diào)制技術(shù)和諧波檢測技術(shù)。
[0010]但是目前，現(xiàn)有CO氣體光聲光譜檢測技術(shù)的檢測精度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有CO氣體光聲光譜檢測技術(shù)的檢測精度不高的問題，從而提供一種基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)及方法。
[0012]基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、激光源模塊和光聲信號檢測模塊，
[0013]數(shù)據(jù)處理模塊包括前置放大器9、第一鎖相放大器10、第二鎖相放大器13、數(shù)據(jù)采集卡I和計(jì)算機(jī)14 ；
[0014]激光源模塊包括函數(shù)發(fā)生器2、激光器控制器3、激光器4、光纖準(zhǔn)直包5和聚焦透鏡6 ;
[0015]光聲信號檢測模塊包括氣室7、石英音叉8、參考?xì)馐?1和光電探測器12 ;所述石英音叉8位于氣室7中，所述氣室7內(nèi)充有CO氣體；參考?xì)馐?1內(nèi)充有CO氣體；
[0016]數(shù)據(jù)采集卡I將電流控制信號輸出端與函數(shù)發(fā)生器2的電流控制信號輸入端連接，函數(shù)發(fā)生器2的第一電信號輸出端與激光器控制器3的電信號輸入端連接；數(shù)據(jù)采集卡I的溫度控制信號輸出端與激光器控制器3的溫度控制信號輸入端連接；
[0017]激光器控制器3驅(qū)動(dòng)激光器4輸出激光，所述激光經(jīng)光纖準(zhǔn)直包5準(zhǔn)直后入射至聚焦透鏡6，并經(jīng)聚焦透鏡6聚焦至氣室7內(nèi)，并激發(fā)CO氣體產(chǎn)生聲壓信號，該激光穿過氣室7后入射至參考?xì)馐?1 ；
[0018]石英音叉8接收聲壓信號并轉(zhuǎn)換為電信號，所述石英音叉8的電信號輸出端與前置放大器9的電信號輸入端連接；所述前置放大器9的輸出端與第一鎖相放大器10的第一電信號輸入端連接；所述第一鎖相放大器10的參考信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器2的第二電信號輸出端連接；所述第一鎖相放大器10的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡I的第一數(shù)據(jù)信號輸入端連接;
[0019]光電探測器12用于探測參考?xì)馐?1中的激光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，作為測量信號；所述光電探測器12的測量信號輸出端與第二鎖相放大器13的第一電信號輸入端連接；所述第二鎖相放大器13的參考信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器2的第二電信號輸出端連接；所述第二鎖相放大器13的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡I的第二數(shù)據(jù)信號輸入端連接；
[0020]數(shù)據(jù)采集卡I與計(jì)算機(jī)14進(jìn)行通信。
[0021]基于上述系統(tǒng)的石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0022]計(jì)算機(jī)14將控制信號發(fā)送到信息采集卡I，信息采集卡I將電流控制信號經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器2發(fā)送到激光器控制器3，同時(shí)將溫度控制參數(shù)發(fā)送到激光器控制器3，激光器控制器3驅(qū)動(dòng)激光器4發(fā)射近紅外激光，經(jīng)過光纖準(zhǔn)直包5準(zhǔn)直和聚焦透鏡6聚焦后入射到氣室7內(nèi)；氣室7內(nèi)的CO氣體吸收近紅外激光的光能轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為聲壓信號，位于氣室7內(nèi)的石英音叉8將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號；
[0023]將石英音叉8的電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大后，輸入到一號鎖相放大器10的測量通道輸入端，鎖相放大器10結(jié)合函數(shù)發(fā)生器2的參考信號進(jìn)行二次諧波檢測，進(jìn)而反演獲得待測CO氣體濃度。
[0024]它還包括如下步驟:
[0025]在位于氣室7后的參考?xì)馐?1內(nèi)充入與氣室內(nèi)CO氣體濃度相同的CO氣體，采用位于參考?xì)馐?1后的光電探測器12檢測經(jīng)過氣體吸收的激光信號，并將所述激光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0026]二號鎖相放大器13接收該電信號，同時(shí)接入來自函數(shù)發(fā)生器2發(fā)出的高頻正弦波，并采用三次諧波信號作為鑒頻信號，然后進(jìn)行反饋控制，將偏離的激光波長鎖定在吸收線中心位置，實(shí)現(xiàn)激光器穩(wěn)頻。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:一，本發(fā)明采用石英音叉增強(qiáng)型聲壓檢測裝置替代傳統(tǒng)的麥克風(fēng)，提高了聲壓檢測裝置的品質(zhì)因數(shù)Q，將光聲光譜CO氣體檢測系統(tǒng)的靈敏度提高2-3個(gè)量級；
[0028]二、本發(fā)明采用石英音叉增強(qiáng)型聲壓檢測裝置替代傳統(tǒng)的麥克風(fēng)，提高了調(diào)制信號的頻率f，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗環(huán)境低頻噪聲干擾能力；
[0029]三、本發(fā)明設(shè)計(jì)石英音叉增強(qiáng)型聲壓探測裝置，諧振管的使用提高了聲壓信號的檢測靈敏度，抑制了環(huán)境同頻噪聲的干擾；
[0030]四、本發(fā)明設(shè)計(jì)激光器穩(wěn)頻反饋回路，三次諧波信號作為鑒頻信號，將激光器中心波長鎖定在CO氣體一個(gè)吸收峰位置，避免長時(shí)間檢測由于環(huán)境溫度等因素造成的激光器波長漂移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明基于石英音叉增強(qiáng)型的痕量氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為石英音叉增強(qiáng)型聲壓檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明長時(shí)間測量的穩(wěn)定度測量結(jié)果示意圖；

【具體實(shí)施方式】
[0034]【具體實(shí)施方式】一、基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、激光源模塊和光聲信號檢測模塊，
[0035]數(shù)據(jù)處理模塊包括前置放大器9、第一鎖相放大器10、第二鎖相放大器13、數(shù)據(jù)采集卡I和計(jì)算機(jī)14 ；
[0036]激光源模塊包括函數(shù)發(fā)生器2、激光器控制器3、激光器4、光纖準(zhǔn)直包5和聚焦透鏡6 ;
[0037]光聲信號檢測模塊包括氣室7、石英音叉8、參考?xì)馐?1和光電探測器12 ;所述石英音叉8位于氣室7中，所述氣室7內(nèi)充有CO氣體；參考?xì)馐?1內(nèi)充有CO氣體；
[0038]數(shù)據(jù)采集卡I將電流控制信號輸出端與函數(shù)發(fā)生器2的電流控制信號輸入端連接，函數(shù)發(fā)生器2的第一電信號輸出端與激光器控制器3的電信號輸入端連接；數(shù)據(jù)采集卡I的溫度控制信號輸出端與激光器控制器3的溫度控制信號輸入端連接；
[0039]激光器控制器3驅(qū)動(dòng)激光器4輸出激光，所述激光經(jīng)光纖準(zhǔn)直包5準(zhǔn)直后入射至聚焦透鏡6，并經(jīng)聚焦透鏡6聚焦至氣室7內(nèi)，并激發(fā)CO氣體產(chǎn)生聲壓信號，該激光穿過氣室7后入射至參考?xì)馐?1 ；
[0040]石英音叉8接收聲壓信號并轉(zhuǎn)換為電信號，所述石英音叉8的電信號輸出端與前置放大器9的電信號輸入端連接；所述前置放大器9的輸出端與第一鎖相放大器10的第一電信號輸入端連接；所述第一鎖相放大器10的參考信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器2的第二電信號輸出端連接；所述第一鎖相放大器10的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡I的第一數(shù)據(jù)信號輸入端連接;
[0041]光電探測器12用于探測參考?xì)馐?1中的激光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，作為測量信號；所述光電探測器12的測量信號輸出端與第二鎖相放大器13的第一電信號輸入端連接；所述第二鎖相放大器13的參考信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器2的第二電信號輸出端連接；所述第二鎖相放大器13的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡I的第二數(shù)據(jù)信號輸入端連接；
[0042]數(shù)據(jù)采集卡I與計(jì)算機(jī)14進(jìn)行通信。
[0043]工作原理:光聲光譜技術(shù)中，使用石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)探測到的光聲信號可以表示為:
[0044]S (P) = KI a Q(P) ε (P)
[0045]其中:Κ為系統(tǒng)常數(shù)，I為激光器功率，α為待測氣體的吸收系數(shù)(與待測氣體吸收截面及濃度有關(guān)的量)，ε (P)為聲光轉(zhuǎn)換效率，Q(P)為音叉的品質(zhì)因數(shù)。音叉的品質(zhì)因數(shù)Q反映了振動(dòng)能量的損耗或振動(dòng)受到的阻尼的大小，一般而言石英音叉的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)14量級。由于石英音叉具有很高的Q值，因此適應(yīng)增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)能提供較高的探測靈敏度。
[0046]石英音叉的特性表明，在兩振臂之間產(chǎn)生的聲波能夠使石英音叉兩振臂產(chǎn)生對稱振動(dòng)，才可以產(chǎn)生有效的壓電信號。在一般環(huán)境中，噪聲的頻率一般小于32ΚΗζ,即波長大于3cm，而石英音叉兩振臂之間的距離為0.3mm左右，遠(yuǎn)小于噪聲的波長，即便是噪聲的頻率接近石英音叉固有頻率，噪聲從遠(yuǎn)處引起的石英音叉的兩振臂的振動(dòng)是同方向的，不會產(chǎn)生有效的壓電信號，因此石英音叉可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境聲壓噪聲的免疫。
[0047]光聲效應(yīng)產(chǎn)生的光聲信號有一個(gè)特點(diǎn)，就是聲信號的大小與調(diào)制頻率成反比關(guān)系，所以傳統(tǒng)的光聲光譜一般把調(diào)制頻率設(shè)在l-4KHz范圍，而石英音叉工作頻率為:32.768KHZ，這消減了光聲信號。因此本發(fā)明采用如圖2所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在石英音叉兩端加上諧振管，可以有效提高光聲信號。內(nèi)徑是諧振管的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)諧振管，當(dāng)諧振管內(nèi)徑遠(yuǎn)小于波長時(shí)，聲波的傳輸模式可以近似看成是一維諧振管。諧振管內(nèi)徑D的范圍為: V(T
[0048]TJf>Dy>p
[0049]其中:V為聲速，f為聲波的頻率，η為氣體粘滯系數(shù)，P為氣體的密度。諧振管內(nèi)徑可選范圍為:0.36mm < D < 6.1mm。
[0050]在諧振管內(nèi)形成駐波，諧振管的長度等于半波長的整數(shù)倍，根據(jù)波長與頻率關(guān)系可知:
nV
[0051]fg =—————

+ UkL)
[0052]其中:n為自然數(shù)，V為聲速，L為諧振管長度，Λ I為諧振管長度在開口端的修正量，一般取0.6D。對于兩端均開口的諧振管，當(dāng)n取奇時(shí)，諧振管的中心位置是壓力波的波腹，可以將石英音叉放到這個(gè)位置，即可得到比較強(qiáng)的聲音信號。當(dāng)石英音叉的頻率=32.768KHz 時(shí)，L = 4.408mm。
[0053]數(shù)據(jù)處理模塊輸出電流控制信號給函數(shù)發(fā)生器2，函數(shù)發(fā)生器2產(chǎn)生幾十Hz的低頻鋸齒波和頻率為f的高頻正弦波，函數(shù)發(fā)生器2的低頻鋸齒波輸出端和高頻正弦波輸出端都接激光器控制器3的兩個(gè)電流調(diào)制信號輸入端，激光器控制器3內(nèi)部含有加法電路和電流驅(qū)動(dòng)電路，激光器控制器3的一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流輸出端接激光器4的激光二極管輸入端；數(shù)據(jù)處理模塊還輸出溫度控制信號接激光器控制器3的一個(gè)溫度調(diào)制信號輸入端，激光器控制器3內(nèi)部含有TEC驅(qū)動(dòng)電路和熱敏電阻接口電路，激光器控制器3的輸出端接激光器4的TEC輸入端，激光器控制器3的輸入端還接激光器4的熱敏電阻輸出端，用來檢測激光器的溫度，反饋控制激光器的溫度；激光源模塊通過控制激光器4的溫度和電流，實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長的調(diào)制以及激光發(fā)射頻率的調(diào)制。可選擇CO氣體吸收峰位置對應(yīng)的波長為1565.98nm，激光器控制器3溫度調(diào)制和電流調(diào)制共同作用，以波長掃描的方式調(diào)節(jié)激光器4，使得激光器4輸出激光的中心波長為1565.98nm。調(diào)節(jié)電流控制信號，高頻正弦波的頻率設(shè)置為f，調(diào)制得到激光器4輸出激光的發(fā)射頻率f為石英音叉共振頻率的一半，即:f = f0/2o
[0054]所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)，激光器4電流調(diào)制頻率為函數(shù)發(fā)生器2輸出的高頻正弦波頻率f，石英音叉8的頻率為&，通常設(shè)定為f = &/2。因此需要對石英音叉8的頻率A進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證鎖相放大器10和鎖相放大器13的參考信號符合諧波檢測要求。在校準(zhǔn)模式下，石英音叉8的一個(gè)引腳被作為測量端使用，另一個(gè)引腳被加上一個(gè)正弦波。在掃描正弦波的頻率的同時(shí)，石英晶振的激發(fā)電流也被測量，通過尋找最大激發(fā)電流對應(yīng)的掃描頻率來確定器共振頻率
[0055]受調(diào)制的激光經(jīng)過光纖準(zhǔn)直包5、聚焦透鏡6，入射到氣室7內(nèi)。待測氣體將光信號轉(zhuǎn)換為聲壓信號，聲壓信號強(qiáng)度與待測氣體濃度成正比。石英音叉8將聲壓信號轉(zhuǎn)換為壓電電流信號，壓電電流信號強(qiáng)度與聲壓信號強(qiáng)度成正比。由于石英音叉兩振臂位于諧振管中心位置，可以消除來自外界同頻率信號的干擾。測量時(shí)，石英音叉8的一個(gè)引腳接地，另一個(gè)引腳接前置放大器9的輸入端，前置放大器為互阻抗前置放大器，可將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將信號放大。前置放大器的輸出端接鎖相放大器10的測量信號輸入端，鎖相放大器10的參考信號輸入端接函數(shù)發(fā)生器的高頻正弦波輸出端。鎖相放大器10進(jìn)行二次諧波檢測，反演出待測氣體CO濃度。
[0056]位于氣室7后的參考?xì)馐?1內(nèi)含有相同CO濃度的待測氣體，位于參考?xì)馐?1后的光電探測器12檢測經(jīng)過氣體吸收的激光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電探測器12的輸出端接鎖相放大器13的測量信號輸入端，鎖相放大器13的參考信號輸入端接函數(shù)發(fā)生器的高頻正弦波輸出端。鎖相放大器13進(jìn)行三次諧波解調(diào)，鎖相放大器13的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡I的輸入端。利用奇次諧波的過零點(diǎn)特性，采用三次諧波信號作為鑒頻信號，根據(jù)一定的反饋控制算法，將偏離的激光波長鎖定在吸收線中心位置，實(shí)現(xiàn)激光器穩(wěn)頻。
[0057]【具體實(shí)施方式】二、根據(jù)【具體實(shí)施方式】一所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，光纖準(zhǔn)直包5、聚焦透鏡6位于同一光路上。
[0058]【具體實(shí)施方式】三、根據(jù)【具體實(shí)施方式】二所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，參考?xì)馐?為長方體結(jié)構(gòu)；
[0059]它的左側(cè)壁和右側(cè)壁上分別設(shè)置有激光入射窗口 71和激光出射窗口 72,激光入射窗口 71的上端和激光出射窗口 72的上端均向氣室內(nèi)傾斜設(shè)置,且均與豎直方向所成的角度均為5°?7° ;入射窗口 71和出射窗口 72在權(quán)利要求2所述的光路上；
[0060]參考?xì)馐?的上表面和下表面分別開有進(jìn)氣口 73和出氣口 74。
[0061]【具體實(shí)施方式】四、根據(jù)【具體實(shí)施方式】三所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，參考?xì)馐?為長方體，則參考?xì)馐?光路方向長15mm，垂直光路方向?qū)?5mm,高12mm。
[0062]【具體實(shí)施方式】五、根據(jù)【具體實(shí)施方式】四所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，激光器4為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，該激光器內(nèi)部集成TEC制冷器和熱敏電阻。
[0063]【具體實(shí)施方式】六、根據(jù)【具體實(shí)施方式】一所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，石英音叉8包括石英晶振81和雙諧振管82 ;所述石英晶振81是頻率為32.768KHz、脫去真空殼的柱式結(jié)構(gòu)；
[0064]雙諧振管82對稱分布在石英晶振兩側(cè)，且所述雙諧振管82靠近石英晶振81 —側(cè)截面與石英晶振81兩振臂平面之間的距離為100微米。
[0065]【具體實(shí)施方式】七、根據(jù)【具體實(shí)施方式】六所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，石英晶振81兩振臂中心位于聚焦透鏡6的焦點(diǎn)上。
[0066]【具體實(shí)施方式】八、根據(jù)【具體實(shí)施方式】七所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，前置放大器9為互阻抗前置放大器。
[0067]【具體實(shí)施方式】九、基于【具體實(shí)施方式】一的石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0068]計(jì)算機(jī)14將控制信號發(fā)送到信息采集卡I，信息采集卡I將電流控制信號經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器2發(fā)送到激光器控制器3，同時(shí)將溫度控制參數(shù)發(fā)送到激光器控制器3，激光器控制器3驅(qū)動(dòng)激光器4發(fā)射近紅外激光，經(jīng)過光纖準(zhǔn)直包5準(zhǔn)直和聚焦透鏡6聚焦后入射到氣室7內(nèi)；氣室7內(nèi)的CO氣體吸收近紅外激光的光能轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為聲壓信號，位于氣室7內(nèi)的石英音叉8將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號；
[0069]將石英音叉8的電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大后，輸入到一號鎖相放大器10的測量通道輸入端，鎖相放大器10結(jié)合函數(shù)發(fā)生器2的參考信號進(jìn)行二次諧波檢測，進(jìn)而反演獲得待測CO氣體濃度。
[0070]它還包括如下步驟:
[0071]在位于氣室7后的參考?xì)馐?1內(nèi)充入與氣室內(nèi)CO氣體濃度相同的CO氣體，采用位于參考?xì)馐?1后的光電探測器12檢測經(jīng)過氣體吸收的激光信號，并將所述激光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0072]二號鎖相放大器13接收該電信號，同時(shí)接入來自函數(shù)發(fā)生器2發(fā)出的高頻正弦波，并采用三次諧波信號作為鑒頻信號，然后進(jìn)行反饋控制，將激光器4的中心波長鎖定在待測CO氣體的一個(gè)吸收峰位置，中心波長可以為1565.98nm。
[0073]所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)，激光器4輸出激光、光纖準(zhǔn)直包5、聚焦透鏡6、氣室7的激光入射窗口 71、激光出射窗口 72、參考?xì)馐?1、光電探測12順次放置在同一光路上。石英音叉8包括頻率為32.768KHz脫去真空殼的柱式石英晶振81，石英晶振81的兩振臂中心位于所述的聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置，獲得激光激發(fā)的最大能量；
[0074]還包括雙諧振管82，單側(cè)諧振管長為4mm，諧振管內(nèi)徑為0.55mm,石英晶振兩振臂位于諧振管所形成駐波的波腹，提高聲壓信號質(zhì)量；諧振管82靠近石英晶振一側(cè)截面與石英晶振81振臂平面的距離為100微米，距離過大會影響駐波的形成。
[0075]氣室7的入射窗口 71與出射窗口 72,均上端向氣室內(nèi)傾斜設(shè)置,與豎直方向所稱角度均為5?7°，這樣的設(shè)置避免激光發(fā)生干涉現(xiàn)象。
[0076]所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)，激光器電流調(diào)制頻率為函數(shù)發(fā)生器輸出的高頻正弦波頻率f，石英音叉8的頻率為&，通常設(shè)定為f = &/2。在系統(tǒng)測量前，對石英音叉8的頻率&進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)模式下，石英音叉8的一個(gè)引腳被作為測量端使用，另一個(gè)引腳被加上一個(gè)正弦波。在掃描正弦波的頻率的同時(shí)，石英晶振的激發(fā)電流也被測量，通過尋找最大激發(fā)電流對應(yīng)的掃描頻率來確定器共振頻率
[0077]在測量模式下，激光的調(diào)制頻率被設(shè)定為石英音叉固有頻率的一半，S卩:&/2，石英音叉一個(gè)引腳接地，另一個(gè)引腳作為探測端，產(chǎn)生的信號由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行二次諧波解調(diào)。數(shù)據(jù)處理模塊輸出電流控制信號給函數(shù)發(fā)生器2，函數(shù)發(fā)生器2產(chǎn)生幾十Hz的低頻鋸齒波和頻率為f的高頻正弦波，函數(shù)發(fā)生器2輸出端接激光器控制器3的其中兩個(gè)輸入端，激光器控制器3內(nèi)部含有加法電路和電流驅(qū)動(dòng)電路，激光器控制器3的一個(gè)輸出接激光器4的激光二極管輸入端；數(shù)據(jù)處理模塊還輸出溫控制信號接激光器控制器3的其中一個(gè)輸入端，激光器控制器3內(nèi)部含有TEC驅(qū)動(dòng)電路和熱敏電阻接口電路，激光器控制器3的輸出端接激光器4的TEC輸入端,激光器控制器3的輸入端還接激光器4的熱敏電阻輸出端，用來檢測激光器的溫度，反饋控制激光器的溫度；激光源模塊通過控制激光器4的溫度和電流，實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長的調(diào)制以及激光發(fā)射頻率的調(diào)制。可選擇CO氣體吸收峰位置對應(yīng)的波長為1565.98nm,激光器溫度調(diào)制和激光器電流調(diào)制共同作用，以波長掃描的方式調(diào)節(jié)激光器，使得激光器輸出激光的中心波長為1565.98nm。調(diào)節(jié)電流控制信號，高頻正弦波的頻率設(shè)置為f，調(diào)制得到激光器輸出激光的發(fā)射頻率f為石英音叉共振頻率&的一半，即:f = f0/2。
[0078]受調(diào)制的激光輸出到光纖準(zhǔn)直包5，將光纖內(nèi)傳輸?shù)募す庾優(yōu)槠叫泄?，?jīng)過聚焦透鏡聚焦，入射到氣室7內(nèi)，使得激光能量匯聚到石英音叉8的石英晶振81兩振臂中心位置。待測氣體吸收光能并轉(zhuǎn)換為熱能，吸收光能與氣體濃度成正比，在體積一定的情況下，熱能轉(zhuǎn)換為聲壓信號，因此聲壓信號強(qiáng)度與待測氣體濃度成正比。石英音叉8將聲壓信號轉(zhuǎn)換為電信號，由于石英音叉兩振臂位于諧振管中心位置，可以消除來自外界同頻率信號的干擾。測量時(shí)，石英音叉8的一個(gè)引腳接地，另一個(gè)引腳接前置放大器9的輸入端，前置放大器為互阻抗前置放大器，將石英音叉壓電電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將信號放大。前置放大器的輸出端接鎖相放大器10的測量信號輸入端，鎖相放大器10的參考信號輸入端接函數(shù)發(fā)生器的高頻正弦波輸出端。鎖相放大器10進(jìn)行二次諧波檢測，初次檢測時(shí)需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測量多組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，標(biāo)定后的系統(tǒng)可以進(jìn)行氣體檢測，鎖相放大器10輸出的二次諧波信號與氣體濃度呈正比。
[0079]系統(tǒng)還包括激光器穩(wěn)頻的反饋控制回路,位于氣室7后的參考?xì)馐?1內(nèi)含有相同濃度的待測氣體，位于參考?xì)馐?1后的光電探測器12檢測經(jīng)過氣體吸收的激光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電探測器12的輸出端接鎖相放大器13的測量信號輸入端，鎖相放大器13的參考信號輸入端接函數(shù)發(fā)生器的高頻正弦波輸出端。鎖相放大器13進(jìn)行三次諧波解調(diào)，鎖相放大器13的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡I的輸入端。利用奇次諧波的過零點(diǎn)特性，采用三次諧波信號作為鑒頻信號，根據(jù)一定的反饋控制算法，將偏離的激光波長鎖定在吸收線中心位置，選擇的中心波長可以為1565.98nm，實(shí)現(xiàn)激光器穩(wěn)頻。
[0080]具體應(yīng)用時(shí)，本發(fā)明進(jìn)行石英音叉8的頻率校準(zhǔn)，首次測量時(shí)，借助標(biāo)準(zhǔn)氣體對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；系統(tǒng)標(biāo)定后，在測量模式下，氣體濃度檢測回路和激光器穩(wěn)頻反饋控制回路同時(shí)工作，便攜性好，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，可長時(shí)間在線監(jiān)測。
【權(quán)利要求】
1.基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、激光源模塊和光聲信號檢測模塊，其特征是: 數(shù)據(jù)處理模塊包括前置放大器(9)、第一鎖相放大器(10)、第二鎖相放大器(13)、數(shù)據(jù)采集卡⑴和計(jì)算機(jī)(14)； 激光源模塊包括函數(shù)發(fā)生器(2)、激光器控制器(3)、激光器(4)、光纖準(zhǔn)直包(5)和聚焦透鏡⑶; 光聲信號檢測模塊包括氣室(7)、石英音叉(8)、參考?xì)馐?11)和光電探測器(12);所述石英音叉(8)位于氣室(7)中，所述氣室(7)內(nèi)充有CO氣體；參考?xì)馐?11)內(nèi)充有CO氣體； 數(shù)據(jù)采集卡(I)將電流控制信號輸出端與函數(shù)發(fā)生器(2)的電流控制信號輸入端連接，函數(shù)發(fā)生器(2)的第一電信號輸出端與激光器控制器(3)的電信號輸入端連接；數(shù)據(jù)采集卡(I)的溫度控制信號輸出端與激光器控制器(3)的溫度控制信號輸入端連接； 激光器控制器(3)驅(qū)動(dòng)激光器(4)輸出激光，所述激光經(jīng)光纖準(zhǔn)直包(5)準(zhǔn)直后入射至聚焦透鏡出)，并經(jīng)聚焦透鏡(6)聚焦至氣室(7)內(nèi)，并激發(fā)CO氣體產(chǎn)生聲壓信號，該激光穿過氣室(7)后入射至參考?xì)馐?11)； 石英音叉(8)接收聲壓信號并轉(zhuǎn)換為電信號，所述石英音叉(8)的電信號輸出端與前置放大器(9)的電信號輸入端連接；所述前置放大器(9)的輸出端與第一鎖相放大器(10)的第一電信號輸入端連接；所述第一鎖相放大器(10)的參考信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器(2)的第二電信號輸出端連接；所述第一鎖相放大器(10)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(I)的第一數(shù)據(jù)信號輸入端連接； 光電探測器(12)用于探測參考?xì)馐?11)中的激光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，作為測量信號；所述光電探測器(12)的測量信號輸出端與第二鎖相放大器(13)的第一電信號輸入端連接；所述第二鎖相放大器(13)的參考信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器(2)的第二電信號輸出端連接；所述第二鎖相放大器(13)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(I)的第二數(shù)據(jù)信號輸入端連接； 數(shù)據(jù)采集卡(I)與計(jì)算機(jī)(14)進(jìn)行通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于光纖準(zhǔn)直包(5)、聚焦透鏡(6)位于同一光路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，參考?xì)馐?X)為長方體結(jié)構(gòu)； 它的左側(cè)壁和右側(cè)壁上分別設(shè)置有激光入射窗口(71)和激光出射窗口(72)，激光入射窗口(71)的上端和激光出射窗口(72)的上端均向氣室內(nèi)傾斜設(shè)置,且均與豎直方向所成的角度均為5°?7° ;入射窗口(71)和出射窗口(72)與光纖準(zhǔn)直包(5)、聚焦透鏡(6)位于同一光路上； 參考?xì)馐?7)的上表面和下表面分別開有進(jìn)氣口(73)和出氣口(74)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，參考?xì)馐?7)為長方體，則參考?xì)馐?7)光路方向長15mm，垂直光路方向?qū)?5mm，高 12mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于激光器(4)為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，該激光器內(nèi)部集成TEC制冷器和熱敏電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng),其特征在于石英音叉(8)包括石英晶振(81)和雙諧振管(82);所述石英晶振(81)是頻率為32.768KHz、脫去真空殼的柱式結(jié)構(gòu)； 雙諧振管(82)對稱分布在石英晶振兩側(cè)，且所述雙諧振管(82)靠近石英晶振(81) —側(cè)截面與石英晶振(81)兩振臂平面之間的距離為100微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于石英晶振(81)兩振臂中心位于聚焦透鏡(6)的焦點(diǎn)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于前置放大器(9)為互阻抗前置放大器。
9.基于權(quán)利要求1的石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測方法，其特征是:它由以下步驟實(shí)現(xiàn): 計(jì)算機(jī)(14)將控制信號發(fā)送到信息采集卡(I)，信息采集卡(I)將電流控制信號經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器(2)發(fā)送到激光器控制器(3)，同時(shí)將溫度控制參數(shù)發(fā)送到激光器控制器(3)，激光器控制器(3)驅(qū)動(dòng)激光器(4)發(fā)射近紅外激光，經(jīng)過光纖準(zhǔn)直包(5)準(zhǔn)直和聚焦透鏡(6)聚焦后入射到氣室(7)內(nèi)；氣室(7)內(nèi)的CO氣體吸收近紅外激光的光能轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為聲壓信號，位于氣室(7)內(nèi)的石英音叉(8)將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號； 將石英音叉(8)的電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大后，輸入到一號鎖相放大器(10)的測量通道輸入端，鎖相放大器(10)結(jié)合函數(shù)發(fā)生器(2)的參考信號進(jìn)行二次諧波檢測，進(jìn)而反演獲得待測CO氣體濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)的CO氣體檢測系統(tǒng),其特征在于它還包括如下步驟: 在位于氣室(7)后的參考?xì)馐?11)內(nèi)充入與氣室內(nèi)CO氣體濃度相同的CO氣體，采用位于參考?xì)馐?11)后的光電探測器(12)檢測經(jīng)過氣體吸收的激光信號，并將所述激光信號轉(zhuǎn)換為電信號； 二號鎖相放大器(13)接收該電信號，同時(shí)接入來自函數(shù)發(fā)生器(2)發(fā)出的高頻正弦波，并采用三次諧波信號作為鑒頻信號，然后進(jìn)行反饋控制，將偏離的激光波長鎖定在吸收線中心位置，實(shí)現(xiàn)激光器穩(wěn)頻。
【文檔編號】G01N21/17GK104237135SQ201410566870
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】張佳薇, 李明寶, 宋文龍, 熊峰 申請人:東北林業(yè)大學(xué)